У перші мільйонні частки секунди після Великого вибуху Всесвіт являв собою вируючу плазму з температурою в трильйон градусів, що складається з кварків і глюонів - елементарних частинок, які на короткий час злилися разом в незліченних комбінаціях, перш ніж охолодитися і прийняти більш стабільні конфігурації, щоб зробити нейтрони і протони зі звичайної речовини.
У хаосі перед охолодженням частина цих кварків і глюонів випадковим чином стикалася, утворюючи короткоживучі частинки «X», названі так через їх таємничої невідомої структури. X-частинки повинні бути надзвичайно рідкісними, хоча фізики припускають, що вони можуть бути створені в прискорювачах частинок в результаті злиття кварків, де високоенергетичні зіткнення можуть генерувати аналогічні спалахи кварк-глюонної плазми.
Тепер фізики виявили докази присутності X-частинок в кварк-глюонній плазмі, виробленій на Великому адронному колайдері (БАК) в ЦЕРНі, Європейської організації ядерних досліджень, розташованої недалеко від Женеви, в Швейцарії.
Команда вчених використовувала методи машинного навчання, щоб перевірити понад 13 мільярдів зіткнень важких іонів, кожне з яких справило десятки тисяч заряджених частинок. Серед цього надщільного супу з високоенергетичних частинок дослідники змогли виділити близько 100 частинок типу X, відомого як X (3872), названого на честь передбачуваної маси частинки.
Результати, опубліковані в Physical Review Letters, відзначають, що дослідники вперше виявили частинки X в кварк-глюонній плазмі - середовищі, яка, як вони сподіваються, проллє світло на поки ще невідому структуру частинок.
«Це тільки початок історії», - говорить провідний автор Єн-Джі Лі, професор фізики Массачусетського технологічного інституту. "Ми показали, що можемо знайти сигнал. У найближчі кілька років ми хочемо використовувати кварк-глюонну плазму для дослідження внутрішньої структури X-частинки, що може змінити наше уявлення про те, який матеріал повинен був виробляти Всесвіт ".
Співавтори дослідження є членами CMS Collaboration, міжнародної групи вчених, яка працює і збирає дані з Compact Muon Solenoid, одного з детекторів частинок БАК.
Частинки в плазмі
Основними будівельними блоками матерії є нейтрон і протон, кожен з яких складається з трьох тісно пов'язаних кварків.
«Протягом багатьох років ми думали, що з якоїсь причини природа вирішила виробляти частинки, що складаються тільки з двох або трьох кварків», - говорить Йен-Джі Лі.
Тільки недавно фізики почали помічати ознаки екзотичних «тетракварків» - частинок, що складаються з рідкісної комбінації чотирьох кварків. Вчені підозрюють, що X (3872) - це або компактний тетракварк, або абсолютно новий тип молекули, що складається не з атомів, а з двох слабо пов'язаних мезонів - субатомних частинок, які самі складаються з двох кварків.
X (3872) вперше виявили 2003 року в рамках експерименту Belle, на колайдері в Японії, який стикає високоенергетичні електрони і позитрони. Однак у цьому середовищі рідкісні частинки розпадалися занадто швидко, щоб вчені могли детально вивчити їх структуру.
Було висловлено припущення, що X (3872) та інші екзотичні частинки можуть краще висвітлюватися в кварк-глюонній плазмі.
Дійсно сигнал Х
У своєму новому дослідженні фізики шукали ознаки X-частинок у кварк-глюонній плазмі, що генерується зіткненнями важких іонів у Великому адронному колайдері. Вони засновували свій аналіз на наборі даних БАК за 2018 рік, який включав понад 13 мільярдів зіткнень іонів свинцю, кожне з яких вивільняло кварки і глюони, які розсіювалися і зливалися, утворюючи понад квадрильйон короткоживучих частинок перед охолодженням і розпадом.
«Після того, як кварк-глюонна плазма сформувалася і охолола, утворилося так багато частинок, що фон став переважним», - кажуть вчені. «Тому нам довелося збити цей фон, щоб ми могли в кінцевому підсумку побачити X-частинки в наших даних».
Для цього команда дослідників використовувала алгоритм машинного навчання, який вони навчили виділяти характерні для X-частинок закономірності розпаду. Відразу після утворення частинок у кварк-глюонній плазмі вони швидко розпадаються на «дочірні» частинки, які розлітаються. Для частинок X ця картина розпаду або кутовий розподіл відрізняється від усіх інших частинок.
Дослідники визначили ключові змінні, які описують форму картини розпаду X-частинок. Вони навчили алгоритм машинного навчання розпізнавати ці змінні, а потім надали алгоритму фактичні дані з експериментів щодо зіткнення на БАК. Алгоритм зміг просіяти надзвичайно щільний і зашумлений набір даних, щоб вибрати ключові змінні, які, ймовірно, були результатом розпаду X-частинок.
У підсумку фізики зуміли знизити фон на кілька порядків, щоб побачити сигнал, що вказує на присутність частинок X (3872) - їх виявилося всього близько 100.
«Майже немислимо, що ми можемо виділити ці 100 частинок з такого величезного набору даних», - кажуть дослідники.
У найближчі рік або два вчені планують зібрати набагато більше даних, які повинні допомогти з'ясувати структуру X-частинки. Якщо частинка являє собою міцно пов'язаний тетракварк, вона повинна розпадатися повільніше, ніж якби це була слабопов'язана молекула.
Тепер, коли команда фізиків показала, що частинки X можуть бути виявлені в кварк-глюонній плазмі, вони планують більш детально досліджувати цю частинку за допомогою кварк-глюонної плазми, щоб визначити структуру частинки X.
"В даний час наші дані узгоджуються з двома сценаріями, тому що у нас поки немає достатньої статистики. У наступні кілька років ми будемо збирати набагато більше даних, щоб ми могли розділити ці два сценарії ", - говорить Йен-Джі Лі. «Це розширить наше уявлення про види частинок, які в достатку вироблялися в ранньому Всесвіті».
Дослідження було опубліковано в Physical Review Letters.